考虑衬砌腐蚀的隧道围岩分级修正分析

韦红亮

(广西壮族自治区高速公路发展中心,广西 南宁 530022)

0 引言

石膏质岩在水条件下溶出的硫酸根离子与混凝土衬砌水泥水化物发生化学反应[1-2],引起混凝土胀裂,致使混凝土结构承载能力发生下降。我国中西部地区石膏质岩分布广泛,其对混凝土衬砌产生侵蚀胀裂一直是隧道工程领域研究的热点问题。由于石膏质岩对混凝土的腐蚀机理复杂,国内外学者主要从理论和试验等方面研究石膏质岩对隧道工程混凝土衬砌结构的侵蚀。吴银亮等[3]通过X光试验分析了石膏质岩化学及矿物组成,研究了石膏质岩工程力学特性及其对混凝土劣化机理。陈志明[4]通过试验验证了石膏质岩对混凝土结构具有膨胀和腐蚀特性,同时结合数值计算分析了石膏质岩的膨胀及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响。任松等[5]通过开展正交试验,对石膏质岩隧道混凝土衬砌的腐蚀特性进行研究。吴建勋等[6]通过对脱水石膏和硬石膏进行膨胀力试验,分析了石膏质岩膨胀性及其对隧道仰拱受力的影响。姜淑花等[7]通过室内试验,探讨了石膏质岩自由膨胀率、轴向膨胀率、膨胀力等特性与初始干密度及吸水率的关系,分析了石膏质岩膨胀特性的影响因素。张丛林等[8]对石膏类矿物含量各异的岩样在干湿循环条件下开展了饱和单轴抗压强度试验,分析了石膏质岩在干湿循环影响下的应力应变关系,研究了石膏质岩在干湿循环影响条件下强度特征。万飞等[9]依托隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试,分析了石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征。

由于石膏质岩对混凝土的腐蚀机理和影响因素较为复杂,石膏质岩对混凝土的腐蚀性尚无法进行量化研究。工程实践应用上,除提高混凝土衬砌抗渗能力外,优化隧道衬砌结构是目前石膏质岩隧道抗腐蚀处治的主要方式,具有良好的安全性和可靠性。但在勘察设计中,需要对隧道围岩分级进行合理修正才能保证工程结构具有良好的耐久性和经济性。本文基于通过优化隧道结构设计提高耐久性的思路,采用数值计算分析了石膏质岩条件下混凝土隧道衬砌的腐蚀对隧道结构衬砌力学性能的影响,同时基于隧道围岩分级体系,提出了基于BQ值修正的石膏质岩围岩分级方法,为石膏质岩地区隧道工程设计提供参考依据。

1 数值计算

1.1 石膏质岩隧道混凝土衬砌腐蚀模型

文献[9]基于以下简化和假设,建立混凝土腐蚀模型:石膏质岩下混凝土腐蚀状态分为无腐蚀劣化、部分腐蚀劣化和完全腐蚀劣化三种状态,将腐蚀厚度作为衡量混凝土腐蚀程度的量化参数指标。文献[10]基于损伤力学理论,对受硫酸盐侵蚀的混凝土结构力学参数变化过程进行简化,将其转化为混凝土结构的有效承载面积,建立了混凝土完全腐蚀厚度模型,提出了考虑腐蚀时间影响的腐蚀厚度与抗压强度的关系,如式(1)所示:

(1)

式中:l(t)——混凝土的腐蚀厚度(m);

l0——混凝土未腐蚀劣化状态下中心到外表面的距离(m);

σ——无损伤状态下混凝土构件的有效抗压强度(MPa);

σ(t)——损伤状态下混凝土构件的有效抗压强度(MPa);

t——腐蚀时间(d)。

文献[11]选取混凝土的单轴抗压强度变化量与未腐蚀时间的比值定义腐蚀系数,并通过设计正交试验,得到石膏围岩隧道衬砌结构腐蚀系数与腐蚀时间的关系,如式(2)所示:

C=0.012 6 lnt+0.023 8

(2)

式中:C——腐蚀系数;

t——腐蚀时间(d)。

对隧道混凝土衬砌而言,混凝土衬砌有效厚度等于混凝土衬砌初始厚度减去腐蚀厚度。基于以下假设,可以认为隧道混凝土衬砌腐蚀厚度与腐蚀时间满足如式(3)所示的关系。其中,混凝土衬砌结构为一个整体,与围岩紧密接触,承受全部的围岩压力;在进行混凝土衬砌力学分析时,混凝土衬砌断面沿围岩压力作为方向的截面为正方形。

(3)

式中:l(t)——隧道混凝土衬砌的腐蚀厚度(m);

l0——未腐蚀状态下隧道混凝土中心到外表面的距离(m);

t——腐蚀时间(d)。

1.2 数值计算模型

数值计算模型如图1所示。模型中,隧道结构跨度为8 m,混凝土衬砌断面为四心圆,厚度为70 cm,强度级别为C40,水平宽度为88 m;左右边界水平约束,地表面取自由表面,底部设竖直约束,分别约束左右边界的水平位移,约束下边界的竖向位移,上边界为自由边界,不考虑地下水渗流作用。计算中,围岩采用Mohr-Coulomb模型进行模拟,二次衬砌采用弹性模型模拟。隧道围岩和混凝土衬砌参数如表1所示。数值计算中,为考虑隧道埋深对衬砌应力的影响,分别选取埋深为50 m、100 m、200 m、400 m和500 m五种工况进行计算。

表1 计算模型材料参数表

图1 数值计算模型和拾取点分布图

在数值计算模型中,结合混凝土衬砌腐蚀模型,将隧道围岩与混凝土衬砌视为弹性体并考虑其自重,由混凝土衬砌承受围岩的全部荷载作用。数值模拟过程的分析步包括地应力平衡、激活衬砌结构和移除开挖的土体,通过改变相互作用控制模块中的型号来控制衬砌结构与开挖土体的作用状态,从而模拟隧道开挖的整个过程。具体的数值模型建立及计算流程如图2所示。腐蚀厚度作为混凝土衬砌腐蚀程度的量化参数指标,在数值模拟之前,先结合混凝土衬砌腐蚀模型对混凝土衬砌腐蚀厚度及剩余厚度进行计算,数值计算中将衬砌剩余厚度作为衬砌厚度,结果如图3所示。

图2 数值计算流程图

图3 不同腐蚀时间下混凝土衬砌的腐蚀厚度及剩余厚度计算结果曲线图

1.3 石膏质岩腐蚀时间对隧道混凝土衬砌力学性能的影响分析

埋深50 m条件下,处于未腐蚀劣化状态和腐蚀劣化50年状态下的隧道衬砌压应力云图如图4所示。

图4表明,在相同埋深条件下,衬砌拱脚位置所受到的压应力最大,其次分别是拱腰、拱肩、拱顶,拱底最小。在未腐蚀劣化状态下,拱脚压应力达到了2.296 MPa,在腐蚀劣化50年条件下,拱脚压应力达到了2.412 MPa。混凝土衬砌腐蚀后,受力增大,拱脚的压应力最大,衬砌拱脚的压应力增长变化情况可视为混凝土衬砌整体受力变化。

不同埋深和腐蚀劣化状态条件下,隧道衬砌拱脚处压应力变化如表2所示。

表2 拱脚在不同埋深和不同腐蚀时间下的压应力计算结果表

由表2可知:

(1)在相同腐蚀时间条件下,拱脚压应力随隧道埋深的增加而增加。

(2)受腐蚀时间的影响,拱脚压应力随着腐蚀时间的增加而增大,压应力变化规律与衬砌腐蚀厚度的变化规律大致相同。

(3)石膏质岩对混凝土衬砌的腐蚀是一个较为漫长的过程,腐蚀0～10年衬砌的压应力变化是较为明显的,增加率达到12.88%,增加量达到总增加量的68.2%;腐蚀时间超过10年后,衬砌结构压应力变化越来越小,腐蚀时间超过80年后,压应力几乎无明显改变。

对衬砌拱脚部位的第一主应力、第三主应力、竖向应力、水平应力及压应力的增长率进行统计,结果如表3所示。

表3 混凝土衬砌腐蚀时间周期内拱脚部位的受力增长变化统计表

由表3可知:

(1)石膏质岩对混凝土衬砌的腐蚀作用是有限的,衬砌腐蚀所引起的受力变化也是有限的。由此可认为,石膏质岩对70 cm厚衬砌腐蚀作用在80～100年之间达到极限且趋于稳定。

一矿共有三对副井，即院内副井、北一副井、北二副井，分别服务于一、二、三水平，均为立井提升，负责各水平的升降人员和提升物料等辅助提升任务。院内副井提升系统核定能力为173.83万t/a，北一副井提升系统核定能力为292.82万t/a，北二副井提升系统核定能力为92.41万t/a，提升系统总核定结果为559万t/a。

(2)石膏质岩隧道衬砌腐蚀引起的自身受力增长最大达19.7%。

2 考虑衬砌腐蚀的石膏质岩隧道围岩分级修正

基于优化隧道结构设计提高耐久性的思路,将衬砌腐蚀导致隧道衬砌结构压应力的增加转换为隧道围岩压力的增加,应对围岩级别进行修正。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)[12]中围岩压力与围岩级别的关系如式(4)所示:

(4)

式中:q——垂直均布压力(kPa);

γ——围岩的重度(kN/m3);

hq——等效荷载高度(m);

s——围岩级别,如Ⅰ级围岩,s=1;

ω——宽度影响系数;

B——坑道宽度(m);

为降低衬砌腐蚀对隧道衬砌结构压应力的影响,引入受力影响系数α对q进行修正;受力影响系数α指衬砌腐蚀后的受力指标与衬砌腐蚀前的受力指标之比。根据式(4),得到:

(5)

式中:q′——修正后垂直均布压力(kPa);

s′——修正后围岩级别。

数值计算表明,石膏质岩隧道衬砌腐蚀引起的结构压应力增加最大可达19.7%,因此,受力影响系数α取1.20,可得:

s′=s+0.263

(6)

由于隧道围岩的物理力学指标与围岩级别关系密切,在条件复杂难以按试验资料确定围岩的物理力学指标时,可根据围岩级别确定。此外,根据我国现行设计规范,隧道围岩级别划分为Ⅰ～Ⅵ六个级别,围岩级别与围岩基本质量指标BQ的取值范围相对应,围岩级别与BQ值没有特定的函数关系。为确保隧道工程在满足耐久性的条件下具有良好工程经济性,需要将围岩级别的修正转换为对围岩基本质量指标BQ值的修正。

现定义围岩基本质量指标修正系数λc为:

λc=BQ′/BQ

(7)

BQ′是考虑混凝土衬砌腐蚀的修正的BQ值,而BQS是原围岩级别对应的BQ值。

我国《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)规定的围岩分级BQ的分级取值范围如表4所示。

表4 围岩分级BQ的分级取值范围表

由表4可知,围岩级别只是与BQ的取值范围相对应,围岩级别与BQ值没有特定的函数关系,对于Ⅳ、Ⅴ级围岩的修正并不能直接找到BQ值对应。为解决此问题,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的分级取值范围内分别取100个点,再分别取均值,对围岩级别和围岩级别所对应的均值点进行拟合,拟合结果如图5和式(8)所示。

图5 BQ值与围岩级别的拟合函数图

BQ=-100s+700

(8)

结合式(6)可得:

BQ′=BQ-26.3

(9)

由于石膏质岩通常处于Ⅳ和Ⅴ围岩,结合BQ拟合函数和Ⅳ、Ⅴ级修正围岩级别,对围岩的腐蚀修正系数进行计算,得到Ⅳ级围岩的腐蚀修正系数如式(10)所示:

(10)

图6为未修正和经修正后的不同围岩基本质量指标BQ值所对应的隧道围岩级别。由图6可知:

图6 围岩BQ值对应的隧道围岩级别划分示意图

(1)当BQ值分布在250～276时,隧道围岩级别从Ⅳ调整为Ⅴ;当BQ值分布在351～376时,隧道围岩级别从Ⅲ调整为Ⅳ。

(2)尽管部分BQ值经修正后,围岩级别不变,但是考虑了石膏质岩具有的腐蚀特性,隧道支护结构的设计承载能力和耐久性要求更高,针对石膏质岩特殊性质也应采取一些额外应对措施,保证隧道围岩和支护结构的稳定。

3 工程实例

选取某隧道作为依托工程,对考虑石膏质岩特性的围岩分级修正方法进行验证。隧道设计为铁路双线单洞隧道,全长约2 300 m,埋深最大达550 m。隧道穿越的地层岩体中石膏岩类含量达到43.5%以上,隧道所处位置主要呈现出一种低中山区的水文地质地貌。隧址区域年均降水量达到了500～600 mm,隧道所处区域的地下水类型为裂隙-岩溶水,且区域地下水的补给水源主要依赖于大气降水,地下水的径流条件较好。隧道内部的地下水渗流、渗漏情况主要是以滴水、浸润为主,极个别地段呈现流水状态。开通运营8年后,隧道K298+734、K296+230和K296+430等区段出现拱脚及边墙裂缝及拱腰开裂、边墙向内挤压、二衬渗水等严重病害。

为对隧道病害原因进行分析,对隧道区段围岩进行钻芯取样。对试样体积节理数进行了统计,并开展单轴抗压强度试验和岩石纵波波速试验,结果如表5所示。

表5 部分病害区段围岩力学指标参数表

采用考虑石膏质岩综合特性的围岩分级修正方法对该隧道部分病害区段的围岩进行分级,为验证该分级修正方法的准确性,将分级结果与围岩分级BQ值结果进行对比,结果如表6所示。

表6 围岩分级结果对比表

由表6可知,对隧道围岩BQ值进行修正后,K296+230、K296+430和K298+734区段隧道的围岩级别出现下降,从Ⅳ级降至Ⅴ级;K303+840、K293+430断面围岩级别虽保持Ⅳ级,但BQ值已接近Ⅴ级围岩的划分标准。此外,修正后围岩级别发生变化的断面出现了衬砌开裂等严重病害,验证了考虑混凝土衬砌腐蚀的石膏质岩围岩分级修正方法的合理性,也说明了在设计中考虑对BQ值修正的必要性。

此外,三处严重病害路段隧道围岩渗流水的流速呈正态分布,绝大部分统计点的渗流水流速约为200 mL/min,且在隧道中所有发生病害的区段,有渗流水的占总病害数量的80%,这也表明了地下渗流水与隧道病害的发生存在一定的关联。

4 结语

本文针对石膏质岩腐蚀性对围岩分级的影响展开研究,结合混凝土衬砌腐蚀有限元数值模型,分析了不同埋深、不同腐蚀时间条件下混凝土衬砌的受力状态及其受力变化规律。同时,将修正围岩级别与围岩分级BQ值结合,提出了考虑混凝土衬砌腐蚀的石膏质岩围岩分级修正方法。主要结论如下:

(1)隧道衬砌压应力的变化规律与衬砌腐蚀厚度的变化规律大致相同。隧道衬砌的压应力随着埋深和腐蚀时间的增加而增大;腐蚀前10年,拱脚处压应力的增速最大,增量可达总增量的68.2%;腐蚀10年后,衬砌压应力虽仍在增长,但增长速率较为缓慢。

(2)考虑石膏质岩腐蚀性条件下,Ⅳ、Ⅴ级围岩的修正系数取值分别为0.91、0.87。BQ值分布在250～276、351～376时,考虑石膏质岩腐蚀性的修正对围岩级别划分影响较大;尽管部分BQ值经修正后,围岩级别不变,但是考虑了石膏质岩具有的腐蚀特性,对隧道支护结构的设计承载能力和耐久性要求更高,应采取相关应对措施,保证隧道结构的稳定。

(3)经对发生病害的隧道围岩进行钻芯取样,开展围岩分级修正评价,结合隧道病害原因分析,验证了考虑混凝土衬砌腐蚀的石膏质岩围岩分级修正方法具有合理性。

(4)隧道衬砌受力状态受隧址地层岩性特性和隧道衬砌结构形状尺寸等多因素的影响,本文仅对单一地层岩性分布特征和单一衬砌形状尺寸条件下隧道衬砌受力状态进行分析,建议对多种地层和隧道衬砌结构进行计算分析。同时,建议对不同硫酸盐含量浓度下的石膏质岩隧道衬砌受力状态进行长期监测,为掌握石膏质岩腐蚀下隧道衬砌受力状态变化规律和影响因素提供依据。